鐘文彬

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所

概述了電子設(shè)備電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及的屏蔽體材料的選用、結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)和原則，同時(shí)對(duì)屏蔽效能的仿真分析現(xiàn)狀和面臨的問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)述。

1 前言

目前，在電子設(shè)備工作頻率、功率及集成度不斷提高的情況下，電子設(shè)備的電磁兼容性（EMC）已成為影響電子設(shè)備性能正常發(fā)揮的重要因素之一，越來(lái)越得到大家的重視。電磁兼容的研究主要是圍繞構(gòu)成電磁干擾的三要素，即電磁干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備來(lái)進(jìn)行的，電磁兼容的設(shè)計(jì)技術(shù)主要有濾波技術(shù)、接地技術(shù)及屏蔽技術(shù)等，就電子設(shè)備的電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，屏蔽是最常用的設(shè)計(jì)方法。

屏蔽是一種利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)拇胧饕饔檬且种齐姶鸥蓴_（EMI），防止輻射侵入設(shè)備或從設(shè)備中泄露，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。屏蔽通常包括兩種：一種是電場(chǎng)屏蔽，主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響；另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)及交變電磁場(chǎng)的影響。在進(jìn)行電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，接縫又往往是影響屏蔽完整性的主要因素。為了提高屏蔽體的屏蔽效能，要求每一條接縫都應(yīng)該是電磁密封的，而實(shí)際上，由于結(jié)合表面的不平整、焊接質(zhì)量不高、緊固件之間存在不密封的空隙等，都會(huì)在金屬板的接合處留下一些細(xì)長(zhǎng)的縫隙，改善這些縫隙的電接觸是至關(guān)重要的問(wèn)題。解決這些縫隙的方法主要有焊接（熔焊、釬焊等）和增加導(dǎo)電襯墊的方式[3]，本文主要討論的是可拆式接縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)屏蔽材料的選用及屏蔽設(shè)計(jì)的一些原則。

2 屏蔽體材料的選擇

屏蔽材料的種類很多，形態(tài)也各異，一般來(lái)說(shuō)具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性的材料可作為電磁屏蔽的材料。常用的屏蔽材料有鋼板、鋁板、銅板、鋁箔、銅箔等，一些民用產(chǎn)品多采取在塑料機(jī)箱上鍍鎳或銅的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽。要選擇好用于屏蔽體的材料，就必須先弄清楚電磁屏蔽的分類。工程中，實(shí)際的輻射干擾源大致分為兩類：電偶極子（非閉合載流導(dǎo)線輻射源）和磁偶極子（閉合載流導(dǎo)線輻射源）。由于電偶極子和磁偶極子是上述兩種源的最基本形式，實(shí)際的輻射源在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)，均可由若干個(gè)基本源的場(chǎng)疊加而成。電磁屏蔽的分類見(jiàn)表1。

根據(jù)電屏蔽的原理，電屏蔽的實(shí)質(zhì)是在保證良好接地的條件下，將干擾源發(fā)生的電力線終止于由良好導(dǎo)體制成的屏蔽體，從而切斷了干擾源與受感器之間的電力線交鏈。因此對(duì)于電屏蔽來(lái)說(shuō)，屏蔽體必須選用導(dǎo)電性能好的材料（銅、鋁等），同時(shí)必須接地。而磁屏蔽無(wú)法像電屏蔽那樣，將磁力線終止于屏蔽體，而只能利用屏蔽體對(duì)磁力線（磁場(chǎng)）進(jìn)行分流，來(lái)切斷干擾源與受感器之間的磁力線交鏈，因此磁屏蔽材料應(yīng)選用鋼、鐵、坡莫合金等高導(dǎo)磁率的鐵磁性材料。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁屏蔽設(shè)計(jì)，由于金屬屏蔽體在高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致只要滿足剛強(qiáng)度的屏蔽體厚度均有足夠高的屏蔽效能，此時(shí)決定屏蔽體的屏蔽效能的不是金屬材料的種類和厚度，而是孔、縫的泄露，同時(shí)應(yīng)選用導(dǎo)電材料。

表1 電磁屏蔽的分類

3 結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)

目前，機(jī)箱和機(jī)殼是普遍采用的結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)方案，是電子設(shè)備電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容之一。屏蔽的目的是切斷干擾源和被干擾對(duì)象之間的電力線，以免除電容性耦合的電磁干擾，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要涉及到屏蔽體的通風(fēng)孔設(shè)計(jì)、螺釘間距選擇及常用屏蔽輔助材料的選擇等內(nèi)容。

通風(fēng)孔設(shè)計(jì)原則

有的電子設(shè)備除了有較高的頻率和較寬的頻率范圍外，還含有功率較高的元器件，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮設(shè)備的電磁屏蔽特性，還需要考慮設(shè)備的通風(fēng)散熱問(wèn)題。通風(fēng)散熱問(wèn)題和電磁兼容問(wèn)題注定是一對(duì)矛盾，如果通風(fēng)孔太小則會(huì)增大風(fēng)阻，從而影響設(shè)備的散熱，如果通風(fēng)孔過(guò)大，則會(huì)增強(qiáng)電磁干擾，如何取得兩者的和諧就成了一個(gè)突出的問(wèn)題。

根據(jù)孔縫屏蔽原理我們知道，在相同的面積上，把較大的通風(fēng)孔改成孔徑較小的孔陣，屏蔽效能將得到明顯的提高。常見(jiàn)的通風(fēng)孔的形狀主要有圓孔、菱形孔、方孔、正多邊形孔等。在如圖所示的孔陣中（材料厚度設(shè)為t），圓孔和方孔的屏蔽效能可按下面的公式進(jìn)行計(jì)算。

（1）方孔陣列屏蔽效能

電磁屏蔽效能（單位dB）

磁場(chǎng)屏蔽效能（單位dB）

圖1 矩形板上方孔及圓孔孔陣

圖2 典型屏蔽體縫隙示意圖

（2）圓孔陣列屏蔽效能

電磁屏蔽效能（單位dB）：

磁場(chǎng)屏蔽效能（單位dB）

另外，由于方孔的最大線性尺寸為1.414b（對(duì)角線長(zhǎng)度），則圓孔與方孔的的最大線性尺寸之比為0.627，根據(jù)天線發(fā)射理論也印證了上述結(jié)論。因此，在通風(fēng)孔面積一定的情況下，應(yīng)優(yōu)先使用圓孔（對(duì)電磁兼容性較高的電子設(shè)備或大尺寸的設(shè)備來(lái)說(shuō)，也可選用屏蔽通風(fēng)板或截止波導(dǎo)等）。

螺釘間距的設(shè)計(jì)

絕大多數(shù)電子設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于需要考慮設(shè)備的測(cè)試性和維修性，結(jié)構(gòu)上一般采用螺裝的方法而不是采用焊接方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的裝配，屏蔽體的兩個(gè)螺釘間將會(huì)自然的形成縫隙。隨著頻率的增高，波長(zhǎng)將會(huì)與屏蔽體上的縫隙尺寸相當(dāng)，從而導(dǎo)致屏蔽體的縫隙泄露成為電磁屏蔽最關(guān)鍵的控制要素，在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意電磁屏蔽的完整性。

根據(jù)天線理論，當(dāng)天線的總長(zhǎng)度大于信號(hào)波長(zhǎng)λ 的1/20 時(shí)，會(huì)向空間產(chǎn)生有效的輻射發(fā)射，當(dāng)天線長(zhǎng)度為λ/2 的整數(shù)倍時(shí)，輻射的能量最大。理論上，當(dāng)兩塊金屬板用螺釘連接在一起時(shí)，從宏觀上看是面與面的接觸，但由于金屬面板的表面不可能做到完全的光滑，總有一定的表面粗糙度，從微觀上看螺釘與螺釘之間的就會(huì)形成一條以螺釘間距為寬度的縫，這條縫往往是點(diǎn)與點(diǎn)接觸或線與線接觸的，如圖2 所示。當(dāng)這條縫滿足天線發(fā)射的理論時(shí)，就會(huì)向外輻射能量，形成電磁干擾。因此，在進(jìn)行螺釘間距L 的確定時(shí)，需要參照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)（在實(shí)際情況中，由于設(shè)備的頻率可能很高、頻段也很寬，有時(shí)不可能使螺釘間距離小于波長(zhǎng)的1/20，這時(shí)就需要用屏蔽材料來(lái)輔助）。

表2 幾種不同屏蔽材料的比較

常用輔助屏蔽材料的選擇

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有時(shí)僅靠金屬結(jié)構(gòu)件屏蔽不能滿足電磁兼容性的要求，還需要使用屏蔽材料進(jìn)行輔助屏蔽。對(duì)屏蔽材料的選擇，需要綜合考慮設(shè)備的工作頻率、使用環(huán)境、屏蔽效能、空間位置、成本因素等。表2為幾種不同屏蔽材料的比較。

屏蔽效能仿真與測(cè)試

目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有專門做屏蔽效能仿真分析的商業(yè)軟件，但可利用電磁場(chǎng)分析的軟件仿真出電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)屏蔽效能的定義和計(jì)算公式就可以推算出屏蔽體的屏蔽效能。

式中：E0（ES）是指不存在屏蔽體時(shí)某處的電場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)強(qiáng)度），H0（HS）是指存在屏蔽體時(shí)同一處的電場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)強(qiáng)度）。

電磁仿真分析軟件主要有FEKO、HFSS Ansoft、MS EMC 等，其中FEKO 是主要針對(duì)天線設(shè)計(jì)、天線布局和電磁兼容性仿真分析的專業(yè)電磁分析軟件，適合各類電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析。HFSS 軟件基于有限元算法，主要用于一般電尺寸天線分析、微波器件仿真等。

對(duì)于機(jī)箱或模塊級(jí)電子設(shè)備的屏蔽效能仿真，縫隙和導(dǎo)電襯墊的處理是屏蔽效能仿真建模過(guò)程中的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)之一。建模過(guò)程中如果按實(shí)際的位置尺寸來(lái)建立仿真分析模型，由于縫隙寬度很小網(wǎng)格劃分將非常困難，為此必須建立縫隙的電磁兼容仿真分析等效模型。現(xiàn)階段應(yīng)用較多的方法是采用基于轉(zhuǎn)移阻抗的縫隙仿真模型對(duì)縫隙和導(dǎo)電襯墊進(jìn)行等效，等效轉(zhuǎn)移阻抗的縫隙仿真分析模型的主要思想是對(duì)縫隙進(jìn)行擴(kuò)寬，里面填充相應(yīng)的材料使得兩者的轉(zhuǎn)移阻抗?jié)M足一定的關(guān)系，從而使得屏蔽效能相等，即SE1=SE2，完成這項(xiàng)工作的前提是需要進(jìn)行大量的測(cè)試和試驗(yàn)工作，從而推導(dǎo)計(jì)算出各種不同情況下縫隙或?qū)щ娨r墊的等效電導(dǎo)率。

4 結(jié)語(yǔ)

電子設(shè)備的電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，為保證電子設(shè)備的EMC 性能，EMC 設(shè)計(jì)必須貫穿于產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)、電路詳細(xì)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程。

目前對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)電磁兼容性的設(shè)計(jì)還主要是依靠試驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行檢測(cè)和分析，試驗(yàn)也是最為可靠的方法，但試驗(yàn)的周期和成本成了產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)的制約因素。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及仿真分析技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，利用仿真分析的方法對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容性進(jìn)行前期預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)成為了可能。